Raketa, která je skutečně na baterky

Electron je dvoustupňová orbitální raketa, kterou vyvíjí společnost Rocket Lab pro vynášení komerčních malých družic. Asi nejzajímavější částí jejího technologického řešení je využití elektricky poháněného čerpadla spalovaných složek. Tahle raketa má být schopná dopravit na nízkou oběžnou dráhu 225 kilogramů nákladu a ani cena není vůbec marná – jeden start má vyjít na pouhý pět milionů dolarů.

Společnost Rocket Laby vznikla na Novém Zélandu v roce 2006. Jejím zakladatelem byl podnikatel Peter Beck, přičemž nyní má firma centrálu ve Spojených státech. Na Novém Zélandu má ale stále svou pobočku, přesto budou rakety Electron létat pod americkou vlajkou. Cílem firmy bylo nabídnout cenově efektivní komerční službu s náklady na start méně než 5 milionů dolarů. Společnost cílí na firmy, jejichž malé družice by jinak musely letět jako přívažek jiných, větších satelitů. To ale znamená, že provozovatelé těchto sekundárních družic většinou namohou rozhodovat o přesnějších parametrech oběžné dráhy, na kterou má být jejich družice vypuštěna.

Program Electron vsadil na myšlenku, že malé náklady – jako třeba hejna cubesatů budou preferovat flexibilitu malého nosiče, kterému záleží na nízkých nákladech, které se vyrovnají, nebo dokonce překonávají tradiční poskytovatele. Electron by měl obsloužit trh malých družic – ať už jde o čistě dedikované, nebo sdílené starty mířící především na heliosynchronní dráhu.

Firma Rocket Lab vsadila na rychlou přípravu na start a inovativní přístup k integraci nákladu, který se označuje jako „Plug-In Payload“. Název odkazuje na známé řešení Plug-and-Play, které známe z počítačů a které nám umožňuje rychle a snadno připojovat nejrůznější zařízení k našemu PC. Díky tomuto postupu se má doba nutná k integraci nákladu na raketu zredukovat jen na pár hodin.

Rocket Lab odpálila v roce 2009 z rampy Ātea-1 subornitální mise, které byly spíše symbolické – dočkaly se ale uznání, protože šlo o první soukromou firmu z jižní polokoule, která dostala náklad na hranici vesmíru. Firma následně v prosinci 2010 získala kontrakt od amerického úřadu ORS (U.S. Operationally Responsive Space Office), který zahrnoval návrh nízkonákladového nosiče pro nanosatelity. O financování firmy Rocket Lab se postaralo hned několik společností jak z Nového Zélandu, tak i z USA.

Primární startovní rampou pro rakety Electron je místo označené jako Rocket Lab Launch Coplex 1, které se nachází na novozélandském Severním ostrově, konkrétně na jeho poloostrově Mahia. Tady si jen dovolím malou tématickou odbočku – běžně jsme zvyklí brát jako výhodnější kosmodromy, které jsou co nejjižněji. Ale to je dáno tím, že uvažujeme logikou severní polokoule. Na jižní polokouli je naopak výhodné být co nejseverněji – neboli globálně vzato co nejblíže k rovníku.

Z výše zmíněné základny by mohly rakety startovat na různé cílové dráhy včetně dráhy heliosynchronní. Mahia se stala primární startovní rampou poté, co firma v roce 2015 zjistila, že pro rampu Kaiorete Spit na Jižním ostrově není schopná získat potřebná povolení a další nezbytné zdroje. Firma přitom o lokalitu Kaiorette hodně stála, protože se nacházela blízko města Christchurch, kde se měla nacházet výrobní továrna.

Stavba na komplexu Mahia začala v prosinci 2015 a jejím cílem bylo postavit padesátitunovou startovní rampu a obslužnou věž pro rakety electron a k tomu i nezbytnou infrastrukturu pro tankování nosiče a další podpůrná zařízení včetně silnic a telekomunikační sítě v celé oblasti. Většina infrastruktury byla hotová v červnu 2016 a oficiální ceremoniál spojený s otevřením komplexu byl naplánován na 26. září 2016.

Rocket Labs vstoupila do jednání se správcem leteckého prostoru nad Novým Zélandem, aby došlo k vytvoření mimořádných podmínek pro využívání leteckého prostoru v okolí startovní rampy. Plány rozhodně nemůžeme nazvat skromnými – firma Rocket Labs se chlubí tím, že frekvence letů z oblasti Mahia může dosahovat jen 72 hodin mezi dvěma starty, přičemž ročně může být odbaveno až 30 startů. Odhaduje se, že by společnost byla schopná odbavit jeden start týdně. Velkou výhodou rampy Mahia je, že rakety odsud mohu startovat na dráhu se sklonem 39 – 98°.

Samotná raketa Electron je prvním orbitálním nosičem, který využívá elektricky poháněná turbočerpadla. Raketa měří na výšku jen 17 metrů a její průměr činí 1,2 metru. Její dva raketové stupně jsou celkem poháněny deseti tryskovými motory, které dokáží na heliosynchronní dráhu dopravit náklad o hmotnosti 150 kilogramů. Tento nosič se zaslouží velkou pozornost, protože se snaží využívat novátorských postupů – jde třeba o kompozitní materiály, které mají v kosmonautice obecně velkou budoucnost, nebo o 3D tisk některých dílů. Firma se snaží o jednoduchou a levnou výrobu, která by zároveň umožňovala vysokou kadenci startů.

V základu se dá říct, že Electron se snaží o podobný přístup, jaký používá SpaceX. I první stupeň její rakety pohání devět motorů a na druhém stupni je motor jediný, který j přizpůsobený podmínkám vakua. Firma Rocket Labs vyvinula sama všechny díly pro raketu Electron, včetně motoru Rutherford, který dostal své jméno po novozélandském vědci Earnestu Rutherfordovi.

Raketa Electron také bude prvním orbitálním nosičem, který je kompletně z kompozitních materiálů. Díky uhlíkovým kompozitům mohou vznikat velmi pevné a přitom lehké konstrukce. Firma Rocket Lab se navíc může pochlubit tím, že postavila kompozitní nádrže, které jsou kompatibilní s kryogenním kapalným kyslíkem, což přináší významné úspory v hmotnosti ve srovnání s tradičními technologiemi výroby nádrží. Oba stupně rakety Electron budou (opět podobně jako Falcon 9) spalovat směs kapalného kyslíku a leteckého petroleje.

Motor Rutherford je prvním tryskovým motorem v historii, který použije palivové (a okysličovadlové) čerpadlo. Tato technologická novinka byla vybrána za účelem snížení nákladů a zjednodušení výroby. Jde také o první kerolox motor (motor spalující kapalný kyslík – lox a letecký petrolej – kerosin), který má všechny hlavní díly vyrobené metodou 3D tisku. Konkrétně jde o spalovací komoru, vstřikovač, pumpy a hlavní palivové ventily. Firma RocketLab tvrdí, že vytisknut díly pro jeden motor Rutherford jí zabere 24 hodin, takže je schopna pokrýt i velký zájem o starty své rakety.

K samotné produkci spalovací komory i trysky se používá inconel – slitina na bázi niklu, která je schopná odolat tlakům a teplotám, které vznikají při spalovacím procesu. Jak už v článku několikrát zaznělo, motor Rutherford používá k čerpání paliva i okysličovadla elektrickou pumpu. Společnost vyvíjí hned dva typy těchto motorů – jeden, který najde využití v prvním stupni rakety electron a druhý, který je optimalizovaný pro použití ve vakuuu s rozšířenou tryskou pro pohon druhého stupně.

Nejunikátnější je ale již tolikrát zmíněné elektrické čerpadlo.  Ten využívá duální bezkartáčový motor na stejnosměrný proud, který pohání čerpadlo motoru. Každý motor má velikost běžné lahve s minerálkou, přesto dává výkon 50 koňských sil (37 kW), což roztáčí čerpadlo na 40 000 otáček za minutu. Hlavní výhodou elektrického čerpadla je jeho jednoduchost. Není potřeba řešit žádné plynové generátory, nebo turbíny, což jsou ty nejkomplexnější části moderních motorů na kapalné palivo, které prodlužují výrobní dobu a zvyšují náklady. Ale nic není ideální a i elektrická čerpadla mají své nevýhody. Tou hlavní je, že potřebují poměrně těžké baterie. Na druhou stranu se část hmotnosti ušetří absencí poměrně těžkých turbín.

Motor Rutherford sází na regenerativní chlazení – protékající letecký petrolej skrz kanálky odebírá teplo ze spalovací komory, aby byl do ní následně vstříknut. Konstrukce motorů váží bez baterií 20 kilogramů. Výhodou motorů s elektrickými čerpadly je jejich snadná ovladatelnost. Díky nim je možné velmi přesně kontrolovat směšovací poměry paliva a okysličovadla. Oproti tomu vyladit plynový generátor je mnohem komplexnější operace. Baterie, které dodávají energii čerpadlům jsou klasické lithium polymerové svazky, přičemž na každé raketě jich najdeme celkem 16.

Motory Rutherford pro první stupeň mají průměr trysky 20 centimetrů  a na úrovni moře vyvíjejí tah 16,9 kN, který ale může vzrůst až na 20,3 kN ve vakuu a jejich specifický impuls je 303 sekund. Motor uzpůsobený pro práci ve vakuu vyvíjí tah 22 kN a jeho specifický impuls je velmi slušných 333 sekund. Motor spálí zhruba 7 kilogramů paliva za sekundu při nominálním nastavení tahu.

První stupeň rakety Electron měří na výšku 12,1 metru a jeho průměr je 1,2 metru. Zajímavé je, že prázdný stupeň váží jen 950 kilogramů! Nízká hmotnost je dána již zmíněným využitím kompozitních materiálů – stupeň se skládá z devíti motorů Rutherford s jejich bateriemi a dvou kompozitních nádrží na kapalný kyslík a letecký petrolej, které zabírají většinu objemu stupně. Jelikož to není u raket obvyklé, tak ještě jednou zdůrazníme, že uhlíkový kompozit se využívá jak pro nosnou strukturu (tělo stupně, tak i pro nádrže.

První stupeň pojme 9 250 kilogramů paliva, které krmí devět motorů Rutherford, které jsou uspořádané v konfiguraci octaweb, kterou známe z raket Falcon 9. Jde o osmiúhelník s motory v každém vrcholu a jedním motorem uprostřed. Tato konfigurace je kromě jiného výhodná proto, že snižuje množství komponentů, které se starají o rozložení síly generované pracujícími motory na tělo rakety.

Raketa Electron vyvine při startu tah 147 kN a když opustí hustou atmosféru, tah vzroste na 183 kN. První stupeň má podle plánu pracovat dvě a půl minuty. V jeho útrobách najdeme ve spodní části třináct Li-Pol baterií, které se nachází blízko motorů. Během krátkého provozu prvního stupně je tento svazek baterií schopný generovat až 1 MW energie. O kontrolu letu se stará počítač, který může posílat pokyny ke korekčním manévrům, přičemž všech devět motorů Rutherford disponuje možností naklápění trysek. O tlakování nádrží se starají heliové nádoby a oddělení prvního a druhého stupně zajišťuje pneumatický systém, který byl také vyvinutý firmou Rocket Lab.

Horní stupeň rakety Electron se postará o urychlení nákladu na rychlost, která je nutná k jeho usazení na oběžné dráze. Tento stupeň měří na délku jen 2,4 metru a jeho průměr je shodný jako v případ stupně prvního, tedy 1,2 metru. Prázdná hmotnost druhého stupně je jen 250 kilogramů a i zde najdeme kompozitní konstru i nádrže.

Také konstrukce horního stupně je podobná řešení, které známe od SpaceX. Zatímco na prvním stupni najdeme devět motorů, horní stupeň použije motor jediný s rozšířenou tryskou pro práci ve vakuu. Do nádrží druhého stupně se vejde 2 150 kilogramů paliva, přičemž doba hoření je zhruba pět a půl minuty. Motor Rutherford Vac generuje tah 22 kN při již zmíněném specifickém impulsu 333 sekund. Na horním stupni najdeme tři Li-Pol baterie, které zajistí energii jedinému pracujícímu motoru. Za zmínku ale stojí princip jejich využívání – dvě baterie se totiž odhodí ve chvíli, kdy se vyčerpají – raketa se tak zbaví zbytečné váhy, což se odrazí na lepším využití nosné kapacity.

Konstruktéři si dali záležeti na tom, aby odhozené baterie bez problémů shořely v atmosféře i když jsou jen na suborbitální drze. Jejich teplota vzplanutí je jen 150°C, což zajišťuje, že by měly neřízeně zaniknout aniž by ohrozily dopadové oblasti. I motor horního stupně je výklopný, takže může zajistit korekce dráhy. Horní stupeň navíc disponuje tryskami na stlačený vzduch, což zajistí orientaci v rotační ose. V horním stupni se nachází i avionika a letové počítače rakety, přičemž vše vzniklo ve firmě Rocket Lab. Ta podle svých slov využila technologie programovatelného hradlového pole (Field-Programmable Gate Array Technology), což umožnilo přizpůsobit funkcionalitu při zachování hardwarové shodnosti.

Překvapí někoho konstatování, že aerodynamický kryt rakety Electron je z kompozitů? Jeho výška je 2,5 metru a průměr tradičních 1,2 metru. Jeho velikost je dostatečná pro všechny typy nákladů , které spadají do této kategorie nosných raket včetně multinákladových, nebo sdílených misí. Celý kryt váží 50 kilogramů a je odhozen krátce po oddělení prvního stupně. Pneumatický systém se postará o rozdělení obou polovin tohoto krytu a o jeho následné odhození.

Již v začátku článku jsme zmínili inovativní postup integrace nákladu označovaný jako Plug-in Payload. Zákazníci si mohou sami vybrat pracovníky, kteří se o instalaci družic do nákladového prostoru postarají ve svých výrobních zařízeních. Celý komplex je následně ve speciálním kontejneru s kontrolovaným prostředím přepraven na odpalovací rampu. Samotné připojení adaptéru k raketě má být otázkou pár hodin.

Možná se to na první pohled nemusí zdát, ale právě tento postup perfektně vyhovuje všem zákazníkům, kteří nechtějí, aby z důvodu utajení s jejich družicemi manipuloval někdo cizí. To z rakety Electron činí ideální nosič pro americkou vládu a její ministerstva. unikátní přístup modulárního nákladu také umožňuje flexibilní přístup v situaci, kdy jeden ze zákazníků sdíleného startu dospěje ke zpoždění. Ostatní klienti na něj tak nebudou muset zbytečně čekat.

Zdroje a doporučené odkazy:
[1] Spaceflight101.com
[2] Wikipedia
[3] Rocketlabusa.com
[4] Spaceflightinsider.com
[5] Space.com (1)
[6] Space.com (2)

Převzato: Kosmonautix.cz